【科普課堂】太赫茲技術--改變未來世界的」超級波「

責編 | 吉 佳

太赫茲是一種新的、有很多獨特優點的輻射源；太赫茲技術是一個非常重要的交叉前沿領域，它被科學家們稱為「改變未來世界的十大技術之一」。

在中國生物物理學會-太赫茲生物物理分會「成立之際，分會會長常超研究員將帶領我們走進神奇的太赫茲世界。

什麼是太赫茲

和微波一樣，太赫茲其實也是一種電磁波。太赫茲通常是指的是0.1～10太赫茲（1太赫茲=1012赫茲）這個頻段內的電磁波。這個波段正好位於微波和紅外的交界處。也就是說，（頻率）向下走就是微波、毫米波，（頻率）向上走就是紅外、可見光，它處於一個過渡區域。

在國際上，這個區域被稱為「太赫茲空白」。因為它的源和探測器等技術的發展比別的頻段要落後。1690年，惠更斯就提出了光學的基本理論，而第二次世界大戰中也已經開始使用微波雷達，但是太赫茲的研究還是最近三十年的事情，相對會新一些，大家也就感覺陌生一些。

電磁波頻帶分布

太赫茲波段有什麼優勢

相比於傳統的輻射源，太赫茲有很多優勢。

第一個是它的穿透性好。這個穿透性是和誰相比呢？是指和可見光相比，太赫茲對某些介質的穿透性更強。具體來說，太赫茲對非極性介質具有很好的穿透性。比如我們身上穿的這些衣物、桌上的紙張、快遞盒子甚至一些木質材料，太赫茲透過去都是沒有任何問題的。利用這個特點，我們可以用它進行成像。

上圖為利用太赫茲進行成像的一個例子，其中a為樹葉的可見光下的圖片，b為太赫茲成像效果，c為太赫茲成像的放大圖像。由於太赫茲比可見光穿透能力強，因此，可以較為清楚地顯示物體內部的情況。

為什麼太赫茲能穿過非極性介質

因為很多分子的轉動-振動能級在太赫茲波段，對於極性介質而言，由於其分子存在固有電偶極矩，容易與電磁場發生相互作用，導致分子轉動-振動能級的躍遷，因此，極性介質對太赫茲波吸收較強。非極性介質不容易與電磁場發生相互作用，因而對太赫茲的吸收較弱。

太赫茲可以替代X射線嗎

高穿透性的太赫茲在某些情況下就可以替代X射線進行成像。當然，這還涉及到太赫茲的另一個優勢——能量低。我們知道X射線是肯定可以成像的，但X射線是確定的致電離輻射，有致畸致癌的風險。所以一般情況下都會規定人一年接受X射線照射不能超過一定的劑量。但是太赫茲不一樣，它的光子能量比較低，一般而言，THz光子的能量要比X射線光子能量低4~7個量級，遠低於細胞等生物組織的電離閾值，所以相對安全。

此外，太赫茲還具有瞬態性。這是因為太赫茲脈衝的脈寬非常窄，可以控制在皮秒（1/1012秒）量級，因而能進行一些快速的動力學探測，比如分析某個化學反應的中間過程。

最後，但也是目前認為最重要的一個特點，就是太赫茲具有指紋特性。這是什麼意思呢？大部分極性分子和生物大分子的振動或轉動產生的分子（光）譜都處在太赫茲波段。比如蛋白質、核酸，這些都是由很多原子構成的生物大分子，這些分子間的弱相互作用、骨架振動以及原子間極性結構的轉動和振動頻率恰好都處在太赫茲頻段。這樣一來，大分子的結構特徵就決定了它的特徵分子（光）譜，那麼反過來，知道了它的分子（光）譜，也就能識別出這究竟是什麼種類的物質了。

不同波段電磁波對比

太赫茲的應用前景如何

太赫茲的穿透性可以用於安檢。太赫茲可以穿透衣服，檢查隱藏在衣服下面的一些危險物品。太赫茲只能穿透衣服，到肉就穿不透了，身上藏著的小刀、手槍也都穿不透。其實，毫米波也可以做同樣的事情，但是相比於太赫茲，毫米波的波長更長，空間解析度也就更差一些。目前，國內有好幾家企業在做太赫茲的安檢系統，並且已經在上海世博會期間使用了。

太赫茲安檢示意圖

此外，太赫茲的穿透性還可以用於醫學檢測，比如乳腺癌篩查。傳統的乳腺癌篩查都是用X射線。但實際上，X射線並不是特別好使，所以才要用鉬靶。因為X射線的穿透力太強了，成像時腫瘤組織和健康組織之間的對比度就比較差。因此，要用鉬靶對乳房組織進行擠壓，才能得到更清晰的圖像。但癌組織，尤其是乳腺癌，在太赫茲頻段下的成像很清晰。前面說過，水是極性介質，能吸收太赫茲波。但乳腺中多為脂肪組織，含水量相對較少，因而正常組織和病變組織的成像差異更加明顯。這方面的應用英國比較領先，用太赫茲檢測皮膚癌和乳腺癌都已經實現產業化了。

還有就是利用太赫茲的指紋特性做食品安全的檢測。比如，想判斷這個油是正常的食用油，還是劣質油或者地溝油，它們的分子（光）譜不一樣。由於地溝油經過反覆高溫加熱，其中的不飽和脂肪酸會發生結構上的變化，並且，地溝油一般還含有重金屬、真菌毒素和油脂氧化物等有害成分，和正常的食用油的分子組成是不一樣的。那麼產生的分子（光）譜也一定不同。同理，還可以檢測奶粉裡有沒有添加三聚氰胺，兩者的譜肯定也是不一樣的。國內很多高校和研究機構都在做這一方面的研究，如上海理工大學、天津大學、電子科技大學、南京大學、中科院電子所等。

相比於微波，太赫茲的帶寬更寬。一般情況下，太赫茲的帶寬可以做到吉赫茲（GHz），有的可以達到10吉赫茲。而大部分的微波源，比如X波段源，中心頻率是9吉赫茲，但帶寬只有中心頻率的10%，也就是0.9吉赫茲。相比於微波，太赫茲的帶寬可以提高10倍。帶寬提高了10倍，傳輸速率就會成百上千倍地提高。在2013年，德國開發的太赫茲通信系統，傳輸速率已經達到了100Gbps。你看我們現在的移動通信逐漸發展到5G甚至6G，6G就會用到百吉赫茲的電磁波了。所以，未來再發展下去，也許我們就都用太赫茲波段的手機了。

制約太赫茲發展的最大因素是什麼

太赫茲源的功率有待提高。目前來講，常規的太赫茲源的平均功率是毫瓦量級，大概是幾十毫瓦到幾百毫瓦。主要原因是源的效率都非常之低，可能只有1%。在太赫茲的頻段下，這些常規器件都不是特別高效，能量都熱損耗掉了。這裡說的常規器件不包括像自由電子雷射器那樣的大型科學裝置。

本文內容節選整理自《科學世界》對常超研究員的採訪

全文刊載於《科學世界》2019年第11期

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原標題：《【科普課堂】太赫茲技術--改變未來世界的」超級波「》

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